Průkazní zkoušky
písčitých fluviatilních sedimentů
Ing. Jaroslav Havelka, TPA ČR, s.r.o.
22. 11. 2016
Úvod
Obr.1
Glacifluviální sedimenty
v nadloží glacilakustrinních
písčitých uloženin
sálského ledovce
2
Vznik písčitých sedimentů
V posledních letech bylo možné se v trasách novostaveb státní silniční sítě často
setkat s horninovým prostředím tvořeným písčitými sedimenty různé geneze. Původ
písčitých akumulací je jak fluviální, tak eluviální (např. eluviální rozsyp kvádrových
pískovců na I/38 Debř) nebo eolický (např. váté písky v trase D3).
Specifické postavení mají písčité sedimenty severní části Moravské brány
v jihozápadní části Ostravské pánve. Jejich prapůvod je glaciální, avšak samotné
akumulace mají již málo společného s primárními uloženinami ledovce, jako jsou
morény či tilly a genezi jejich výplní lze klasifikovat jako periglaciální, spíše však
jako glacifluviální, glacilakustrinní (Obr. 1 a 2) a lakustrinní (jezerní), respektive
fluviolakustrinní, zjednodušeně fluviatilní.
5
Vznik písčitých fluviatilních sedimentů
Středně pleistocenní severoevropský ledovcový štít zasáhl území dnešní Ostravské
pánve dvakrát ve formě rozsáhlého výběžku z Polska. Oba štíty kontinentálního
zalednění se zastavily v povodí Odry a měly prakticky obdobný regionální rozsah,
přičemž mladší, sálské zalednění je považováno za maximální. Důležitým vůdčím
horizontem jsou fluviální písčité štěrky hlavní oderské terasy (obr.3), dosahující
výšky 12-15 m nad vodními toky.
Glacilakustrinní a glacifluviální uloženiny sálského ledovce překračují hlavní
evropské rozvodí v úseku Porubské brány a vstupují až do povodí Černého moře.
Starší, Elsterské (halštrovské) zalednění mělo menší rozsah a nepřekročilo rozvodí.
Jeho sedimenty se zachovaly v podloží sálských uloženin (obr.4) a ve výplních
subglaciálních depresí.
6
Vznik písčitých fluviatilních sedimentů
7
Obr.3
Vůdčí horizont fluviálních
písčitých štěrků hlavní
oderské terasy, vybíhající
diagonálně na den
Vznik písčitých fluviatilních sedimentů
8
Obr.4
Diageneticky zpevněné
písky pravděpodobně
halštrovského glaciálu
v podloží sedimentů
sálského zalednění
Vznik písčitých fluviatilních sedimentů
Transportním médiem, které se podílelo výhradně na struktuře souvrství písků, a na
jejich frakčním vytřídění jsou tavné vody ustupujícího ledovce. Ty, podle typu
dynamických účinků (říční tok nebo jezerní vlny) daly vznik charakteristickým
sedimentům (obr. 1, 2, 5-8).
Aktuálně se tento reliéf objevil v zářezu trasy silnice I/11 Prodloužená Rudná a
v nedávné minulosti v zářezu D1, stavebním úseku 4707. Především tomuto typu
písčitých akumulací je příspěvek věnován.
9
Vznik a charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
10
Obr.5
Rytmicky laminované
lakustrinní písčité
sedimenty v podloží
glacifluviálních uloženin
v zářezu silnice I/11 -
Prodloužená Rudná
Vznik a charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
11
Obr.6
Vysrážené oxidy manganu
a železa na vrstevních
plochách souvrství
Vznik a charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
12
Obr.7
Jezerní čeřiny překryté
nadložní vrstvou
sedimentačního cyklu
Vznik a charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
13
Obr.8
Křížové zvrstvení
glacifluviálních písků
zvýrazněné větrnými
voštinami po obnažení
profilu souvrství
Charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
Charakteristickým rysem zmíněných písků je frakční vytřídění před sedimentací,
tedy stejnozrnnost (obr. 9). Vyjadřuje se číslem nestejnozrnnosti cu, které charakteri-
zuje sklon střední části křivky zrnitosti, a je definováno jako poměr průměrů zrn na
60 % a 10 % celkové zrnitosti.
Za stejnozrnné se pokládají ty písky (štěrky), jejichž číslo nestejnozrnnosti cu < 6.
Pokud je cu > 15, jsou písky (štěrky) dobře zrněné. Pro cu = 6 - 15 platí střednozrnná
charakteristika.
Stejnozrnné písky mají vyšší pórovitost, jsou dobře propustné, mají nižší smykovou
pevnost a soudržnost blížící se nule (zde záleží na genezi). Při dostatečné
komprimaci jsou značně únosné (efektivní smyková pevnost a dilatance) avšak
obtížně zhutnitelné s titulu nízkého obsahu jemných částic a tím soudržnosti.
V grafu 1 je dokumentována zrnitost písků z průkazních zkoušek pro stavbu I/11.
14
Charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
15
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
(%)
(mm)
Zrnitost průkazních a kontrolních vzorků glaciálních písků v km 12,830
nebezpečně
namrzavé
namrzavé
mírně namrzavé
nenamrzavé
S2
S5
S3
S3
Graf 1
Charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
16
Obr.9
Stejnozrnné písky tř. S2
ze zářezu v trase silnice
I/11 - Prodloužená rudná
Charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
Číslo křivosti cc charakterizuje tvar křivky zrnitosti, respektive specifikuje její
plynulost. Písky s hodnotami cc = 1 - 3 se považují za dobře zrněné, tj. mají plynulou
křivku zrnitosti. Hodnoty nižší a vyšší patří zeminám s chybějícími frakcemi v oblasti
zrn < d30 (tj. cc > 3) nebo v oblasti zrn > d30 (cc < 1). Zeminy s chybějícími frakcemi
mají nepříznivé vlastnosti. Zhoršují zhutnitelnost a mohou způsobit sufozi
(vyplavování jemnozrnných frakcí).
Graf 2 vykresluje křivku zhutnitelnosti (Proctor standard) odvápněných eluviálních
písků na stavbě I/38 Debř. Zdánlivě opticky členitá křivka vyjadřuje, při srovnání
s hodnotami na ose suché objemové hmotnosti, nízkou závislost stejnozrnného
písku na vlhkosti (1770 - 1790 kg.m-3, tj. D = 99 - 101 % PS). Přerušovaná čára křivky
znázorňuje úsek, v němž při hutnění již docházelo ke ztrátě vody (vlhkosti vzorku).
17
Charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
18
1765
1770
1775
1780
1785
1790
1795
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
su
ch
á o
bje
mo
vá
hm
otn
os
t (k
g.m
-3)
vlhkost (%)
Graf 2
Křivka zhutnitel-
nosti (PS)
stejnozrnných
písků eluviálního
rozsypu
turonských
kvádrových
pískovců v trase
silnice I/38 Debř
(Mladá Boleslav)
cu = 5,7, cc = 0,6
Charakteristika písčitých fluviatilních sedimentů
19
Obr.10
Povrch terénu ze
stejnozrnných písků je
zpravidla pro kolová
vozidla nesjízdný
D1, stavba 4707, léto 2006
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
Revize normy ČSN 73 6133 v roce 2010 vnesla do systému průkazního a kontrolního
zkoušení zemin zkoušku okamžitého indexu únosnosti (IBI), která je typickou a
účelnou zkouškou pro specifikaci čerstvých hydraulicky stmelených směsí,
posuzovaných v systému únosnosti metodou kalifornského poměru únosnosti
(CBR).
S pohledu aktuální české terminologie a národní aplikace evropských zkušebních
postupů test IBI tedy především charakterizuje čerstvé směsi pro technologie úprav
zemin, tj. stabilizaci a zlepšení zeminy v zemním tělese PK.
Vzhledem k tomu, že se zkouška IBI provádí bez zatížení vzorku, jsou výsledky testů
stejnozrnných písků a většiny jejich hydraulických směsí zpravidla nižší, než
národní limit použitelnosti v násypech (obr. 11, tabulka 1).
21
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
22
Obr.11
Nízký penetrační odpor
stejnozrnných písků při
stanovení okamžitého
indexu únosnosti.
Výsledné hodnoty
převážně pod 10 % IBI
Tabulka 1 - Limity a podmínky zkoušky IBI podle ČSN 73 6133
(formálně upraveno)
Vlastnost Požadavek Zkouška Podmínky zkoušky
CBR Aktivní zóna
PIII
PII
PI
min. 15 %
min. 30 %
min. 50 %
ČSN EN 13286-47
ČSN EN 13286-50 (PS)
Zeminy: sycení 4 dny
Směsi: zrání 3 dny + 4 dny sycení
CBR pouze pro průkazní zkoušky.
IBI
Aktivní zóna deklarovaná hodnota Pro účely kontrolních zkoušek
Zkouší se bezprostředně po
zhotovení zkušebního vzorku.
Četnost kontrolních zkoušek:
1 × na 10 000 m3 nebo 1 × denně
Násyp min. 10 %
Podloží násypu min. 5 % (zeminy)
min. 10 % (směsi)
23
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
Nízké hodnoty výsledků zkoušek IBI na vzorcích písků s nízkou soudržností se
v praxi téměř okamžitě projevilo výraznou diskriminací těchto vysoce únosných
zemin v aplikovatelnosti pro podloží vozovek. Stav se ještě zhoršil při nevhodném
používání normy pro terénní verze zkoušek IBI a CBR (ČSN 73 6186:2011).
Projevilo se to i v projektové praxi, zpravidla doporučením technologie výměny
zemin v aktivní zóně za tzv. „nakupovaný materiál“. Investor a projektant si pod
tímto netechnickým termínem zpravidla představuje štěrkodrť (ŠDA) ve smyslu
národní přílohy ČSN EN 13285, tedy nestmelenou směs kameniva cílenou do
konstrukce vozovek, zatímco zhotovitel hledá hrubozrnnou zeminu, která splní
návrhová a normová kritéria zemního tělesa (např. únosnost a nenamrzavost). Obě
varianty jsou výrazně nákladnější než stabilizace písků hydraulickým pojivem.
24
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
Průkazní zkoušky pro hydraulicky stmelené (zlepšené, stabilizované) směsi, jejichž
plnivem jsou stejnozrnné písky se v zásadě nevymykají obvyklým postupům.
Sestávají se tedy z návrhu směsí a 3 fází průkazního zkoušení:
a) Zkoušky zeminy
b) Návrh směsí
c) Zkoušky směsí
d) Výběr vhodné směsi
e) Zhutňovací zkouška
Svými specifickými vlastnostmi však vyžadují individuální přístup, jelikož některé,
příliš obecné požadavky norem nebo předpisů nelze splnit. K těm nejobvyklejším
patří např. návrhový požadavek na konkrétní typ podloží, stanovení max. suché
objemové hmotnosti postupem relativní ulehlosti nebo udržení kategorie minimální
vlhkosti směsi v kontextu s laboratorní zhutňovací prací.
25
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
Na rozdíl od písků s dostatečným obsahem jemnozrnných částic (nejlépe 10-20 %),
které při požadované nižší návrhové únosnosti stabilizovány být nemusí nebo je lze
stmelit nízkou dávkou hydraulického pojiva (cca 3 % srovnávací suché objemové
hmotnosti zeminy), je při stabilizaci stejnozrnných písků zapotřebí použít dávku
vyšší (cca 4-7 %). Za ekonomické lze považovat i vyšší dávky.
V první fázi je pojivo využito jako jemnozrnná frakce, která po výrobě směsi
metodou mix in place umožní pohyb stavebních strojů. Výroba probíhá zároveň
s dávkováním záměsové vody, jelikož dobře propustné písky a mnohdy i směs
neumožňují dosažení kategorie minimální pracovní vlhkosti. To však zpravidla není
výrazný problém, jelikož dostatečného parametru zhutnění směsi lze snadno docílit
zvýšením zhutňovací práce, kdy s nárůstem práce zároveň klesá hodnota optimální
vlhkosti pro maximální zhutnění.
26
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
Součástí průkazního zkoušení hydraulicky stmelených směsí (ČSN EN 14227-15),
kdy jsou testovány plnivo a samotné směsi, je zhutňovací zkouška navržené směsi
(ČSN 73 6133, ČSN 72 1006). Teprve tato zkouška prokazuje, zda návrh směsi
vyhovuje daným požadavkům.
Je zřejmé, že technologické vrstvy hydraulicky stmelených písků vykazují vysokou
únosnost a pevnost. Nežádoucí tvrdost a křehkost je eliminována použitím
silničních hydraulických pojiv (např. podle ČSN EN 13282) s majoritními a
minoritními pomaleji tvrdnoucími složkami (HRB). Použití cementů (ČSN EN 197-1)
není, vzhledem ke zkrácené době zpracovatelnosti a vysoké pevnosti vhodné.
27
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
28
Obr.12
Vzorek hydraulicky
stmelené směsi
stejnozrnných písků po
zkoušce CBR (260 % CBR)
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
K provedení zhutňovací zkoušky je nezbytné zvolit řídící zkušební postup, jehož
výsledky jsou k dispozici v průběhu vlastní zkoušky. Z metodik ČSN 72 1006 lze tedy
vybrat metodu technické nivelace a/nebo metodu statické zatěžovací zkoušky.
Vzhledem ke krátké době zpracovatelnosti směsi je zapotřebí zhutňovací zkoušku
provést rychle, aby tato doba nebyla překročena (zpravidla do 5 hodin).
V grafu 3 jsou zaznamenány výsledky technické nivelace zhutňovací zkoušky směsi
v aktivní zóně zářezu trasy silnice I/11 Prodloužená Rudná (6 % HRB). Z průběhu
křivek je zřejmé, že k dosažení dostatečného zhutnění došlo po 5. vibračním pojezdu
tahačového válce.
29
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
V grafu 4 jsou uvedeny výsledky statické zatěžovací zkoušky na čerstvé směsi
technologické vrstvy. Dostatečná komprimace směsi nastala po 6. vibračním
pojezdu válce. Kritérium poměru modulů z druhého a prvního zatěžovacího cyklu,
požadované ČSN 73 6133 pro zhutnění zemin není v případě stabilizovaných zemin
zásadní.
S odstupem času je možné získat i výsledky přímého stanovení suché objemové
hmotnosti. Výpočet součinitele míry zhutnění se zásadně provádí s použitím
výsledku zhutnitelnosti směsi z průkazní zkoušky, jelikož z čerstvé směsi odebrané
v průběhu zhutňovací zkoušky již nelze připravit zkušební navážky se sníženou
vlhkostí.
31
Průkazní zkoušky stejnozrnných písčitých sedimentů
Zvláště v případě zrnitostní anizotropie písčitého souvrství, jako je tomu v zářezu
silnice I/11 Prodloužená Rudná, zvyšuje stanovení zhutnitelnosti na směsi po její
době zpracovatelnosti nespolehlivost výsledku v parametru součinitele míry
zhutnění. Rozdíl 2 stanovení zhutnitelnosti laboratorní směsi na 2 vzorcích ze
zkušebního pole je 110 kg.m-3.
To ostatně potvrzuje i mé dlouhodobé zkušenosti s nízkou spolehlivostí stanovení
součinitele míry zhutnění stabilizovaných a zlepšených zemin. Jinou věcí je samotný
průběh křivek, jejichž tvar je ovlivněn hodnotou určení suché objemové hmotnosti
v průběhu hutnění.
Z grafu 5 je zřejmé, že maximálního zhutnění bylo dosaženo po 5. až 6. vibračním
pojezdu válce, zatímco další pojezdy již vlivem reflexní seismicity povrch kypří.
Zjištění maximálního účinku hutnění se shoduje s výsledky předchozích zkoušek.
Z vyhodnocení zkoušek v rámci zkoušky zhutňovací tedy bylo možno snadno
stanovit počet pojezdů daného zhutňovacího prostředku.
33
Závěr
Tuhost podloží vozovek má zásadní význam pro stavbu konstrukce vozovky a to
zvláště vozovek netuhých a polotuhých, užívajících nestmelené směsi kameniva a
asfaltobetonové směsi v podkladu a krytu vozovky, tj. směsi vyžadující pečlivé
intenzívní hutnění.
V tabulce 2 jsou shrnuty výsledky ze zhutňovací zkoušky štěrkodrti (ŠDA 0/32, 200
mm) ochranné (podkladní) vrstvy konstrukce vozovky na stavbě D4707 (D1)
položené a hutněné na podloží ze stabilizovaných stejnozrnných písků (300 mm)
v roce 2006. Výsledek vyhovuje s rezervou požadavku normy pro zhutnění
nestmelené směsi kameniva v bázi konstrukce vozovky již po 4 vibračním pojezdu.
Naopak shodná vrstva štěrkodrti, položená a hutněná na nestabilizovaném písčitém
podloží (tabulka 3) dosahuje pouze kritéria únosnosti pro aktivní zónu, přičemž
normové hodnoty míry zhutnění Edef 2 / Edef 1 nebylo dosaženo ani po 8 vibračním
pojezdu. Je tedy zřejmé, že výměna zemin za směs kameniva nebo adekvátní zeminu
by musela být výraznější a tedy finančně nákladnější.
37
Tabulka 2 a 3 - Výsledky statické zatěžovací zkoušky směsi kameniva
na stabilizovaném a nestabilizovaném podloží
protokol č. počet pojezdů Edef 1
(MPa)
Edef 2
(MPa)
Edef 2 / Edef 1
OS06/1829 4 57,6 134,8 2,3
OS06/1828 8 58,6 133,2 2,3
38
protokol č. počet pojezdů Edef 1
(MPa)
Edef 2
(MPa)
Edef 2 / Edef 1
OS06/1830 4 16,1 62,5 3,9
OS06/1831 8 15,1 58,5 3,9
Tabulka 2
Tabulka 3
Závěr
Vzhledem k nízké soudržnosti a stejnozrnnosti nejen zmiňovaných písků, ale i písků
eolických a některých písků eluviálních a fluviálních, se výsledky dnes
požadovaného testu IBI pohybují od cca 5 % do 10 %. To v důsledku často vede
k odstraňování těchto únosných, dobře zpracovatelných zemin ze staveb.
Jejich nevýhodou je zpravidla pouze obtížná zhutnitelnost, která je však dobře
řešitelná stabilizací, lépe a levněji než dnes hojně navrhovaná i aplikovaná metoda
výměny zemin v podloží vozovek.
Limity hodnot IBI, uvedené v ČSN 73 6133 jsou nejen zbytečné, ale rovněž
nekonformní s příliš schematickou tabulkou 1 ČSN 73 6133 (viz tabulka 4). Červeně
jsou zvýrazněny symboly zemin, které často, svým umístěním v tabulce vedou
k mylným informacím o vlastnostech těchto zemin.
Kdysi jsme měli normu pro stejnozrnné písky: ON 73 6184 Zpracování vátého písku
v zemním tělese dálnic a silnic.
39
Tabulka 4 - Použitelnost zemin pro stavbu zemního tělesa podle
Tabulky 1 ČSN 73 6133
Podmínky
použití
NEVHODNÉ
k přímému použití
bez úpravy
PODMÍNEČNĚ VHODNÉ
k přímému použití
bez úpravy
VHODNÉ
k přímému použití
bez úpravy
Musí se vždy upravit
Podle vlastností se rozhodne,
zda lze použít přímo nebo zda
se musí upravit
Lze použít přímo bez úpravy
Aktivní
zóna
ML, MI, CL, CI
MH, MV, CH, CV
S-F
MG, CG, MS, CS, SP, SM, SC,
GP, GM, GC
SW, GW, G-F
Násyp
MH, MV, CH, CV
MG, CG, MS, CS, SP, SM, SC,
GP, GM, GC
ML, MI, CL, CI
SW, GW, G-F
S-F
40
Závěr
V současné době se dopravní stavby téměř výhradně navrhují s vyrovnanou bilancí
hmotnice silničního tělesa. Výskyt zemin, které nelze použít v zemním tělese je spíše
výjimečný. Proto lze i význam tabulky 1 ČSN 73 6133 považovat za překonaný.
Aplikovat metodu IBI na zkoušení zemin tak, jak je uvedeno v národních aplikačních
dokumentech pro stavbu zemního tělesa pozemních komunikací nepovažuji za
účelné a racionální.
Větší důraz by měl být kladen na vyšší kvalitu inženýrskogeologického průzkumu a
kvalitu zadávací dokumentace staveb. Mnohdy se setkávám s texty geotechnického
průzkumu a soutěžní dokumentace, které stanovují typy a množství různých pojiv,
aniž by byl proveden jakýkoli test ze souboru průkazních zkoušek. Nadále platí, že
pro použití zemin v zemním tělese pozemních komunikací je zapotřebí individuální
přístup, zvláště tehdy, pokud vykazují specifické vlastnosti jako ty, které byly
předmětem tohoto příspěvku.
41
Závěr
42
Obr.13
Eratické balvany
krystalických břidlic ve
výkopku ze zářezu trasy
silnice I/11 Prodloužená
Rudná
Závěr
43
Obr.14
Horniny glacifluviálního
souvrství v zářezu I/11:
1. Skandinávský granit (žula)
typu Rapakivi a pazourky z
baltského pobřeží
2. Droba moravskoslezského
kulmu a valouny žilného
křemene
3. Krystalické břidlice (ruly)
jesenického devonu
4. Diageneticky zpevněné
písky halštrovského
glaciálu
Závěr
44
Obr.15
Stabilizace fluviatilních
písků v aktivní zóně tuhé
vozovky na stavbě 4707
(D1) v roce 2006